走近大国工程 | 充电几分钟 供电上千户
探访全国容量最大“智慧超级充电宝”
中央纪委国家监委网站 陈楠 通讯员 林丹 林灵
工作人员在超级电容控制室对设备运行情况进行监测。艾传辉 摄
超级电容储能示意图。资料图片
超级电容混合储能调频项目远景。 林妍 摄
华能罗源电厂全景。艾传辉 摄
在位于福建省罗源县的华能罗源电厂，全国容量最大、反应最快的“智慧超级充电宝”——“5MW超级电容+15MW锂电池混合储能调频系统”近日经过调试，进入成熟稳定运营阶段。标志着我国超级电容的技术研发、集成及应用水平跻身世界前列，为电力系统调频开辟出新路径。
充电宝是生活中随处可见的日常用品。一般情况下，普通的充电宝容量为1万毫安。但华能罗源电厂的这台“智慧超级充电宝”总容量却相当于21万多个1万毫安普通充电宝的总和，充满后可同时满足近千户居民家庭一天的可靠用电。更难能可贵的是，这样的超级充电宝从充满到完全放电仅需要几分钟。
“智慧超级充电宝”是如何运行的，是不是与手机充电宝很相似？这样一台巨型充电宝建造过程中攻克了哪些技术难题？对于电网的安全稳定运行有哪些作用？让我们去一探究竟。
超大容量，储存电量相当于21万多个1万毫安充电宝的总和
走进华能罗源电厂，只见传说中的“智慧超级充电宝”——十余个巨大的白色盒子一字排开。储能电站控制室的屏幕上，显示着目前超级电容混合储能调频系统的运行状态。
“5、4、3、2、1，开始！”4月初，同样是在这间控制室，华能罗源电厂运行部值长庄淑熙，与十多位技术人员在大屏前，共同见证这个“智慧超级充电宝”开始工作。现场，伴随储能投入指示灯的亮起，只见显示在大屏上的电能存储百分比开始跳动，几分钟后“小电池”图标显示充电已从下限到达满格。
储能，顾名思义就是存储能量，是指通过一种介质或设备，把一种能量形式存储起来。在电力系统，通常把大规模的电化学储能电站比喻为“超级大电池”。
据了解，储能系统充电时，由厂用电系统经干式变压器将电压降至0.4kV，经换流装置整流成直流对储能电池充电；放电时，储能电池直流电经换流装置转换成交流50Hz电源，经干式变压器升压至6kV注入厂用电系统。随着储能系统的充放电，改变了厂用电功率，从而间接地调整了发电机组的功率。
庄淑熙以“充电宝”来解释储能系统工作的原理，“就像我们常用的充电宝一样，将电能储存起来，在电力供应波动时迅速作出反应，快速充电维持电网发、用两侧平衡。”
近年来，中国加快推进可再生能源开发利用，绿色低碳理念深入人心。不过光伏、风力发电有着“看天吃饭”的特性，当出现“极热无风”“极寒无光”的情形，就容易导致电力供应出现变动，要维持频率和电压的稳定，就要系统调度储能资源来平衡新能源发电的波动性。
“未来我国大规模的新能源并网消纳需要大电网的支撑，尤其是随着新型电力系统建设不断推进，建设大型储能电站是发展的实际需求和必然选择。”华能罗源电厂党委书记、副总经理刘铭说。
《“十四五”新型储能发展实施方案》明确提出，到2025年，新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段，具备大规模商业化应用条件；到2030年，新型储能全面市场化发展。
在此大背景下，“智慧超级充电宝”的研发方——华能集团把握能源技术革命趋势，通过优化公司科技创新布局和资源配置，带动产业优化升级，于2022年3月16日立项开展“超级电容混合储能辅助火电机组AGC调频技术研究及示范应用”科技项目研究。
据介绍，该项目总规模达到20MW，采用复合储能技术，包括5MW超级电容储能系统，以及15MW/7.5MWh锂电池储能系统。储存的电量相当于21.17万个1万毫安的普通充电宝的容量总和，可同时满足超过1119户居民家庭1天的可靠用电，系首次将长寿命、高安全性的超级电容储能技术应用在火电调频领域，有效解决了大容量超级电容储能技术集成与调频应用难题。项目投用后，对于提升电网安全稳定运行，促进可再生能源消纳和能源转型具有重要意义。
取长补短，填补了我国超级电容储能领域的技术空白
姜滨，华能罗源电厂检修部电气专工，也是超级电容混合储能调频系统重要的建设者和见证者。
虽然有着30年的火电建设工作经验、曾参与多个火电站建设，但谈及“智慧超级充电宝”的建设之路，他依旧难掩自豪与激动。“从研发、设计到施工，每一个环节都遇到了许多难题。”
首先，摆在姜滨他们面前的问题就是使用什么方式储能。
在采访中，记者了解到，储能有多种形式，每种形式都有自己的优缺点。目前，电储能中比较适合大倍率应用且应用范围最广的是锂电池，但根据实际运行情况来看，锂电池存在寿命短、安全性低、经济性不足等问题。
“虽然锂电池具有储能密度高、充放电效率高、响应速度快等优点，但是，锂电池受制于充放电次数限制，导致储能系统寿命大大低于预期。”姜滨说。
安全问题更不容忽视。一个大规模储能电站，电池数量可高达几十甚至数百万只，其中任何一个电池出现问题，都可能引起整个电池组爆炸。
在综合考虑当地电网实际调频动作频率和各种储能的特性后，设计团队筛选出了国内领先的电芯比能量大于81Wh/kg的锂离子混合型超级电容电芯，完成了超级电容/锂电池的选型研究、集成方案设计和热工况性能研究，探索出“5MW超级电容+15MW锂电池”的混合储能模式，实现了适合电力系统调频场景的大容量超级电容储能系统集成。
姜滨表示，一个有效的充放电控制策略就是能够最大限度地发挥不同类型储能设备的优点，实现“1+1>2”的效果。
超级电容器是一种新型高性能储能器件，介于传统电容器和二次电池之间，使用寿命为锂电池的100多倍，业内认为其寿命可达10年，非常适合短时间、大功率充放电，响应时间达到毫秒级。
“5MW超级电容+15MW锂电池”的混合储能模式，既发挥了超级电容储能快的优势，又拥有了锂电池储能久的特点，实现性能互补。系统参与调频时，以超级电容为主，锂电池为辅，具体表现为以秒为计时单位的小指令全部由超级电容参与，分钟级的大指令则由超级电容全功率响应，锂电池作为补充响应，显著提升了现有储能调频系统综合性能。
除此以外，“1+1>2”的效果还体现在火电机组和储能系统的组合上。
“储能系统具有快速精确的功率响应能力，能够提高火电厂的调频能力，保证电网频率的稳定，提高电力系统运行的安全性。”姜滨说，在发电侧配置储能，对于传统发电领域而言，主要意义在于辅助动态运行、提升调节品质。
据介绍，“5MW超级电容+15MW锂电池”的混合储能调频系统共由2个储能子系统组成，两个储能子系统分别接入电厂1号、2号机6kV母线。利用储能系统快速调节输出功率的能力，以火电机组作为响应自动发电控制系统（AGC）指令的基础单元，辅以储能系统作为补充快速响应单元，将机组出力与储能系统出力进行合并后作为系统总出力送至电网，能够达到改善机组AGC性能的目的。
“这就好比，我们以前开手动挡汽车，要想从起步挡挂到5挡，不能直接跳挂5挡，必须转速和车速达到一定值了，一挡接一挡地往上挂，才能防止排挡损坏和保证行驶的平稳顺畅。有了超级电容混合储能系统的助力，火电机组调频效果就像汽车由手动挡换成了自动挡。”姜滨以开车为例，形象地解释了超级电容混合储能辅助火电机组AGC调频技术的作用。
《中国新型储能发展报告2023》指出，目前新型储能仍处于发展初期，在核心材料、系统集成、调度运用、安全防护等方面还有大量技术难题有待解决。此次，华能罗源电厂超级电容混合储能工程的成功投运，充分验证了大容量超级电容储能技术的安全性、可靠性、经济性，大幅提升了机组的响应速率和灵活性，填补了我国超级电容储能领域的技术空白。
“充放”自如，满足电网多元化调节需求
电网为什么要调频？调频到底是什么？
电网系统连接着发电侧与用电侧，当供需不匹配时，电网频率就会出现波动，最常见的表现是家中电灯忽明忽暗。要想电网保持稳定，发电和用电要相对（动态）平衡。而调频就是调整电力系统的频率，使其变化不超过规定的允许范围，以保证电能质量。
华能罗源电厂2台660MW超超临界火电机组与超级电容混合储能系统“强强联手”，实现了机组调频性能的飞跃式提升，犹如为提高电能质量提供了稳定器。
华能罗源电厂运行部主值班员张海萍，在电厂集控室向我们详细介绍了超级电容混合储能系统如何配合发电机组进行调频。
据她介绍，当发电机组单独调频时，出力与目标指令功率存在很大偏差；当发电机组与超级电容混合储能系统共同调频时，出力与目标指令功率偏差很小。超级电容混合储能系统AGC跟踪曲线，几乎与AGC指令曲线重合，即响应时间、调节速率、调节精度等问题得到完美解决。
混合储能系统参与调频后，在小指令区间，可以在2秒内完成功率目标的跟踪；在大指令区间，机组与储能联合出力响应迅速，机组具有较好的负荷响应性能，稳定负荷工况和变负荷工况均基本满足《电网自动发电控制（AGC）运行管理规定》及《火力发电厂自动发电控制性能测试验收规程》等规定的要求，机组在模拟控制方式下运行稳定，各控制子系统自动调节效果良好。
据福建省电力现货市场交易平台公布数据显示，系统投入运行后，华能罗源电厂机组的调频响应时间指标可提高14倍以上，调节速率可提升4倍以上，调节精度可提升3倍以上，机组整体调节性能全省第一，实现跃升！
加快构建新型电力系统，离不开储能这个“智慧超级充电宝”，未来，新型储能的发展空间还很广阔。但在业内看来，新型储能要实现规模化、产业化、市场化发展，至少还要跨过安全和成本“两道坎”。
安全是新型储能系统坚守的底线。为此，华能罗源电厂不断强化安全风险防范，超级电容舱、电池舱安装快速反应气体消防系统，舱内设置消防气体监测装置，实时监测舱内各气体浓度情况。针对电芯温度高、温差大、电压高、电流大均设置了逻辑保护，实现隔离控制功能。
中国法治新闻网摘编：亓淦玉 |
